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道路工程材料课程
第一章岩石和集料第三讲
集料的分类及物理性质
首先我们从集料的分类开始
集料是不同粒径矿质
颗粒组成的粒状混合料的总称
教科书中称集料为矿质混合料
简称矿料
在工程实践中将集料称为砂石材料
还可将集料中
特别是偏粗的集料称为骨料
集料是公路工程建设中
特别是路桥构造物中的用量
非常之高
例如在水泥混凝土中
集料数量占75%以上
而在沥青混合料中往往超过95%
可见集料在路用材料中的重要性
接下来我们先了解一下集料的类型
从不同角度 集料有不同类型
根据来源我们有
天然形成的卵石 砾石和砂
机械加工得到的
碎石 石屑 机制砂和矿粉等
根据粒径大小有粗集料和细集料
根据集料中含有的酸 碱性氧化物的多少
划分为含有较高氧化硅的酸性集料
含有较低氧化硅的碱性集料
此外 一些工业废渣
如冶金废渣 矿山排放的尾矿
当其满足一定的要求后
都可作为集料来使用
道路工程中用途最广的是
机械轧制的粗集料以及天然砂
集料颗粒粒径大小或粗细程度的不同
将对集料应用带来不同影响
因此需对集料粗 细颗粒划分方法
以及集料最大颗粒概念有所了解
首先我们来看一下
集料的粗细粒径是如何划分的
这里 集料粗细颗粒的界定
是依据集料不同用途来划分的
当集料用于水泥混凝土
包括路面基层时
粗细颗粒分界尺寸是4.75mm
当集料用于沥青混合料时
粗细颗粒分界尺寸是2.36mm
集料中粗 细颗粒应用时
所发挥的作用有所不同
粗集料对形成骨架的贡献更加明显
细集料则更多地
填充于粗集料颗粒之间的空隙
但二者对材料的性能表现
如抗剪强度
都有着积极的贡献
接着 看集料中最大颗粒的概念
最大颗粒概念涉及两个方面
一 最大粒径
集料颗粒过筛后
能够最后100%全部通过的标准筛筛孔尺寸
就是集料的最大粒径
二 公称最大粒径
是指集料过筛后
首次未能全部通过
有少量筛余
且筛余不超过10%的标准筛筛孔尺寸
就是集料的公称最大粒径
如图所示
可以看出集料的最大粒径
比公称最大粒径大一个粒级
因此 实际应用时注意二者的区别
集料最大颗粒的变化
会对集料的应用带来直接影响
例如不同厚度的路面结构层
需要选择最大颗粒不同的集料
以适应二者之间在尺寸上的匹配要求
无论是集料粗细粒径的划分
还是最大颗粒的判断
都要用到标准筛
所谓标准筛是指满足孔径尺寸设置
和大小孔径排列规定要求的一组套筛
该标准筛专门用于与集料试验有关的工作
标准筛筛孔均采用方形孔
筛孔尺寸以mm为单位
从表中可以看出
标准筛共由17个不同孔径的筛子组成
且孔径设置有明显规律
即相邻两个筛孔尺寸是二倍关系
特别是从0.075mm到9.5mm其规律性非常明确
即使筛孔大于9.5mm时
二倍关系依然存在
这样的规律一方面有助于
对筛孔尺寸设置规律的掌握
同时也有助于绘制集料级配曲线
需要说明的是
集料粒径和标准筛筛孔尺寸概念合二为一
二者所表达的含义没有区别
接下来讨论集料的重要性质之一
物理性质
集料的物理性质包括
物理常数 空隙率
级配和表面性状等
首先讨论集料物理性质中的物理常数
集料的物理常数就是指集料的密度
即集料单位体积中所具有的质量
由于集料是由不同粒径组成的分散颗粒物
一定数量下的集料所拥有的质量不变
但其构成空间范围
不仅包括了集料自身的实体体积
还包括了集料颗粒上的孔隙
以及颗粒之间的空隙等
因此 涉及集料的密度就有了不同的类型
首先让我们明确针对集料体积所涉及的范围
如图所示
集料的体积指集料自身所占据的空间体积
称为实体体积
实体体积与闭口孔隙体积之和
称之为表观体积
表观体积与开口孔隙体积之和
称为毛体积
而毛体积与颗粒之间的空隙体积
则称为堆积体积
可见 正是围绕集料体积涉及的范围不同
使得针对集料物理常数的密度
就有了若干种不同形式
有涉及单位表观体积的表观密度
单位毛体积的毛体积密度
以及堆积时的堆积密度等
例如 采用水中重法
分别称得集料的干质量
和集料在水中称得的质量
计算得到相应的表观密度
又如 采用表干法
分别称得集料干质量 水中质量
以及用拧出水分后的湿毛巾
擦拭后得到的表干质量
计算毛体积密度
这里 无论是表观密度
还是毛体积密度
其测定都应用到一个基本物理定律
浮力定律
该定律的原理
可以将难以把握的
不规则物体的外观体积间接测出来
从而得到相应的密度
除上述密度之外
针对集料密度还包括堆积密度
其中 松方堆积密度
能够在集料的质量和体积之间建立转换关系
而捣实堆积密度和振实堆积密度
在不同配合比设计上有着实际意义
为了更清晰了解有关道路材料密度概念
现将所有涉及的密度做一归纳 列于下表
工程实践中
常用的密度有
表观密度 毛体积密度和堆积密度
接下来讨论集料其他物理性质
集料的物理性质除了物理常数之外
还涉及到集料的空隙率
集料表面性状以及集料级配等
其中 由于级配自身所具有的特点
以及实际应用时的重要性
随后将在第五讲中进行专门讨论
首先看集料的空隙率
集料空隙率是表征集料
按一定方式堆积后的密实程度
集料空隙率无法通过实验直接测得
而是根据集料相关密度计算得到
如图所示
测出集料的堆积密度和毛体积或表观密度后
带入公式计算得到
通常 自然松装条件下
粗集料的空隙范围在43%-48%
细集料则是在35%-50%
而振实或捣实条件下
粗集料的空隙范围是从37%-42%
细集料则从30%-40%
同时 针对集料不同粒径或不同状态
空隙率有若干不同形式
粗集料的骨架空隙率
是指单独粗集料按一定方式堆积后
粗集料之间相互接触
形成骨架时颗粒间留下的空隙数量
细集料的空隙率
该空隙率又称之为砂的棱角性
是通过砂堆积状态下的试验
及计算得到的结果
以此作为评价砂的表面粗糙程度的依据
之所以砂的空隙率或棱角性
与砂的粗糙程度有关
原因在于砂颗粒表面越粗糙
棱角程度越高
颗粒间摩擦力就越大
同样 堆积方式下得到的堆积密度就越小
带入公式计算得到的空隙率就越大
也就是说
在同样堆积方式下
细集料的空隙率越大
意味着该细集料的表面越粗糙
集料的空隙率将影响混合物多方面的性能
是描述集料性能的重要参数
例如 粗集料经密实操作
留下的空隙率大小
与拌合成混合料后
粗集料空隙率大小进行比较
可以判断混合料中的粗集料颗粒之间
是否能够直接接触
是否能够形成骨架嵌挤结构
从而把握混合料的性能表现
又如 测得的细集料空隙率的大小
将直接影响到沥青混合料的变形性
水泥混凝土工作性等
最后讨论集料物理性质
是集料的表面性状
集料的表面性状
包括集料的外观形状特点
表面棱角性和表面粗糙性等
通常所用集料的形状
接近于球体或立方体
这类形状有助于集料颗粒形成嵌挤结构
同时具有更高的承载能力
但因加工技术的不完善
集料中往往会存在一些细长的针状颗粒
或扁平的片状颗粒
这种针片状颗粒
一方面降低集料承受荷载的能力
易于折断或破碎
另一方面也影响集料的骨架嵌挤效果
并对混凝土施工时的工作性带来不利影响
因此集料应用中要限制针片状颗粒的数量
同时 表面性状还包括
集料颗粒表面的粗糙程度和棱角性
该性状对集料的应用也会带来不同影响
例如与表面光滑且缺乏棱角的卵石相比
具有丰富棱角和表面粗糙性的岩石
有利于形成较高的内摩阻力和嵌挤效果
同时也增加了与胶结料之间的结合程度
因此表面粗糙的集料有助于
提升混合料的整体性能
上面讨论了集料的物理性质
包括集料的物理常数 空隙率
以及表面性状等
针对这些内容 有如下小结
一 集料或矿料
是路桥工程中最主要的建筑材料
并且具有多种类型
常用的集料是天然砂和机械加工的碎石
二 集料常用密度有表观密度
毛体积密度和堆积密度
根据密度可计算得到集料的重要物理参数
空隙率
三 正常集料颗粒外观
是接近球体或立方体粗糙颗粒
而细长或扁平的针片状颗粒
以及表面光滑的卵石
则不利于集料的性能的发挥
四 集料的粒径大小采用规定的标准筛判定
道路工程材料第一章
岩石和集料第三讲就讨论到这里
下一讲再见
-绪论
--绪论
-第1节 岩石的组成、分类
--Video
-第1节 岩石的组成、分类--作业
-第2节 岩石性质与技术等级
--Video
-第2节 岩石性质与技术等级--作业
-第3节 集料分类和物理性质
--Video
-第3节 集料分类和物理性质--作业
-第4节 粗、细集料和矿粉特性
--Video
-第4节 粗、细集料和矿粉特性--作业
-第5节 集料筛分、级配与级配理论
--Video
-第5节 集料筛分、级配与级配理论--作业
-第6节 集料组成设计方法
--Video
-第6节 集料组成设计方法--作业
-第1节 石灰
--第1节 石灰
-第1节 石灰--作业
-第2节 水泥的定义、组成、水化及硬化
-第2节 水泥的定义、组成、水化及硬化--作业
-第3节 硅酸盐水泥的技术性质
-第3节 硅酸盐水泥的技术性质--作业
-第4节 硅酸盐水泥的强度与技术标准
-第4节 硅酸盐水泥的强度与技术标准--作业
-第5节 硅酸盐水泥的腐蚀与防止
-第5节 硅酸盐水泥的腐蚀与防止--作业
-第6节 粉煤灰及其他工业废渣
-第6节 粉煤灰及其他工业废渣--作业
-第1节 分类、工艺组成及胶体结构
-第1节 分类、工艺组成及胶体结构--作业
-第2节 密度及绝对黏度
-第2节 密度及绝对黏度--作业
-第3节 相对黏度（针入度、软化点）
-第3节 相对黏度（针入度、软化点）--作业
-第4节 低温及感温性
--沥青延度演示视频
-第4节 低温及感温性--作业
-第5节 加热稳定性
-第5节 加热稳定性--作业
-第6节 改性沥青
--第6节 改性沥青
-第6节 改性沥青--作业
-第7节 沥青分级及技术要求
-第7节 沥青分级及技术要求--作业
-第8节 乳化沥青、泡沫沥青
-第8节 乳化沥青、泡沫沥青--作业
-第1节 水泥混凝土的组成及特点
-第1节 水泥混凝土的组成及特点--作业
-第2节 新拌水泥混凝土的工作性
-第2节 新拌水泥混凝土的工作性--作业
-第3节 水泥混凝土的强度特征
-第3节 水泥混凝土的强度特征--作业
-第4节 水泥混凝土的变形特性
-第4节 水泥混凝土的变形特性--作业
-第5节 水泥混凝土的耐久性
-第5节 水泥混凝土的耐久性--作业
-第6节 普通水泥混凝土组成设计
-第6节 普通水泥混凝土组成设计--作业
-第7节 水泥混凝土外加剂
--水泥混凝土外加剂
-第7节 水泥混凝土外加剂--作业
-第8节 新型水泥混凝土
--新型水泥混凝土
-第8节 新型水泥混凝土--作业
-第1节 组成结构与强度形成原理
--Video
-第1节 组成结构与强度形成原理--作业
-第2节 基本路用性能
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-第2节 基本路用性能--作业
-第3节 体积参数与技术要求
--Video
-第3节 体积参数与技术要求--作业
-第4节 原材料的技术要求和选用方法
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-第4节 原材料的技术要求和选用方法--作业
-第5节 Marshall组成设计方法
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-第5节 Marshall组成设计方法--作业
-第6节 Superpave组成设计方法
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-第6节 Superpave组成设计方法--作业
-第7节 SMA沥青混合料组成设计方法
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-第7节 SMA沥青混合料组成设计方法--作业
-第8节 沥青混合料再生及组成设计方法
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-第8节 沥青混合料再生及组成设计方法--作业
-第1节 钢材的冶炼与分类
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-第1节 钢材的冶炼与分类--作业
-第2节 钢材的技术性质
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-第2节 钢材的技术性质--作业
